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APLICACIONES CON LA ESTACIÓN DE TRABAJO ELVIS
FILTROS CON AMPLIFICADOR OPERACIONAL
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FILTROS CON AMPLIFICAR OPERACIONAL
El uso del amplificador operacional con algunos resistores y capacitores se obtiene una
amplia variedad de circuitos interesantes, como filtros activos, integradores y
diferenciadores, entre otros.
Objetivo
En este ejercicio se utilizan diversos IV de NI Elvis para medir las características de filtros
pasa bajas, pasa altas y pasa banda.
Instrumentos Virtuales (IV) utilizados
• Multímetro Digital, DMM[]
• Generador de Funciones, FGEN
• Osciloscopio, OSC
• Analizador de Impedancia
• Analizador de Bode
Componentes Usados
• 10.0 kresistor, R1, (café, negro, naranja)
• 100.0 kresistor, Rf, (café, negro, amarillo)
• 1 F Capacitor, C1
• 0.01F Capacitor, Cf
• 741, Amplificador Operacional
Ejercicio 4-1 Medición de los valores de los
componentes del circuito
Complete los siguientes pasos para medir los valores de los componentes del circuito:
1.
2.
3.
4.
5.
En NI Elvis, selecciones el Multímetro Digital.
Use el DMM[], para medir los resistores.
Use el DMM[C], para medir los capacitores.
Anote los valores.
Complete la siguiente información.
R1 ___________ (10 k nominal)
Rf ___________ (100 knominal)
C1 ___________ F (1 F nominal)
Cf ___________ F (0.01 F nominal)
6. Cierre el DMM.
GLORIA MATA H.
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Ejercicio 4-2 Comportamiento
Amplificador Operacional Básico
del
Circuito
1. En la tarjeta de prototipos, alambre el circuito inversor con el CI 741 con una
ganancia de 10, como se muestra en el diagrama esquemático.
La siguiente figura muestra el circuito como se ve en la Tarjeta de prototipos NI Elvis
2. Polarice el amplificador operacional con +15 V y –15 V de CD, se encuentran en
los socket pin de la Tarjeta marcados con +15V, –15V y Ground.
3. Conecte a la entrada V1 del amplificador [FUNCOUT] y conecte la tierra a los
sockets pin [Ground].
GLORIA MATA H.
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4. Conecte el voltaje de salida del amplificador a los sockets pin del osciloscopio
[CHA+] y [CHA–].
5. Con el NI Elvis, seleccione Function Generator y Oscilloscope.
6. En el panel frontal virtual del osciloscopio establezca el CHANNEL A y la Fuente
(Source) fíjela en BNC/Board CH A. Para ver la señal de entrada establezca el
CHANNEL B y la Fuente (Source) fíjela en FGEN FUNC_OUT.
Nota Esta es una forma rápida de conectar el Canal B del osciloscopio sin necesidad de
cables adicionales.
1. En el panel frontal del generador, fije los siguientes parámetros:
• Forma de onda: Sinusoidal
• Amplitud Pico: 0.1 V
• Frecuencia: 1000 Hz
• Offset CD: 0.0 V
2. Verifique el circuito y encienda la Tarjeta de Prototipos.
3. En el osciloscopio y el generador de clic en Run en modo continuo.
4. Verifique el voltaje de entrada en el Canal B y la salida del amplificador en el Canal
A.
5. Debido a que la señal de prueba se origina en FGEN, seleccione SYNC_OUT como
fuente de trigger.
GLORIA MATA H.
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6. Mida las amplitudes de entrada (Canal B) y salida (Canal A) en el osciloscopio.
Observe que la salida invertida con respecto a la entrada.
7. Con los valores anteriores calcule la ganancia de voltaje y verifique que
corresponde al valor teórico de (Rf /R1).
8. Varíe la frecuencia de 100 Hz a 10 kHz y observe los cambios.
9. Calculate the voltage gain (the amplitude ratio channel A/channel B).
Nota También se puede usar una fuente de trigger analógica del CHA o CHB. Esta
selección establece el tipo de trigger a Analógico (SW) permitiendo fijar la pendiente y el
nivel del trigger.
10. Cierre las ventanas del FGEN y OSC.
Ejercicio 4-3 Medición de la Característica de
Frecuencia
La mejor forma de analizar la curva de respuesta característica de CA del amplificador
operacional es a través de la gráfica de Bode.
La gráfica de Bode corresponde a una gráfica de Ganancia (dB) y una de Fase (grados)
como una función de la frecuencia logarítmica. La función de transferencia para el circuito
inversor está dada por:
R
VO   f V1
R1
donde VO es la salida y V1 es la entrada del amplificador operacional (la señal de FGEN en
el circuito). En una gráfica de Bode se espera una línea recta con una magnitud de 20
log(G). Para una ganancia de 10, la magnitud debe ser 20 dB.
Complete los siguientes pasos para obtener la gráfica de Bode del circuito.
GLORIA MATA H.
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1. Con el NI Elvis, seleccione Bode Analyzer.
2. Conecte la señales de entrada V1 y de salida VO a los sockets pin de entrada
analógica como sigue:
• V1 ACH1+ (a partir de FUNCOUT) Ground ACH1–
• VO ACH0+ (a partir de la salida del Op Amp) Ground ACH0–
3. En el Analizador de Bode, fije los parámetros como sigue:
• Start: 5 (Hz)
• Stop: 50000 (Hz)
• Steps: 10 (per decade)
4. De clic en Run y observe la gráfica de Bode para el circuito inversor.
5. Observe la respuesta de fase.
La ganancia es plana hasta aproximadamente 10,000 Hz, donde inicia la caída como se
muestra en la gráfica. Esta curva es de esperarse, ya que la respuesta en frecuencia alta de
un amplificador operacional depende de la ganancia del circuito en el límite de alta
frecuencia. En este ejercicio se toma la curva como la gráfica de Bode para el amplificador
operacional 741.
GLORIA MATA H.
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Ejercicio 4-4 Filtro Pasa Altas
Complete los siguientes pasos para modificar el circuito amplificador operacional y realizar
una medición de frecuencia.
1. Conecte un capacitor C1 de 1 F en serie con un resistor R1 de 1 k, como se
muestra. La frecuencia de corte inferior filtro está dada por la ecuación:
L  2f L 
1
R1C1
La frecuencia de corte baja es donde la ganancia cae -3 dB. Este punto ocurre cuando la
impedancia del capacitor es igual a la del resistor.
R1  X C 
GLORIA MATA H.
1
LC1
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La siguiente figura muestra el circuito en la Tarjeta de prototipos.
2. De Run a una segunda gráfica de Bode usando los mismos parámetros que en el
Ejercicio 4-3.
Observe que la respuesta en frecuencia a bajas frecuencias está atenuada mientras que a
altas frecuencias es similar a la gráfica del amplificador operacional básico.
GLORIA MATA H.
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3. Use el cursor para determinar la frecuencia de corte baja, que corresponde a cuando
la amplitud cae -3 dB o el cambio de fase es 45º.
4. Compare los resultados con los teóricos:
1
L  2f L 
R1C1
Ejercicio 4-5 Filtro Pasa Bajas
La caída de frecuencia alta en el circuito con amplificador operacional, se debe a la
capacitancia interna del CI 741, la cual está en paralelo con el resistor Rf. Si se conecta un
capacitor externo Cf de 0.01 F en paralelo con el resistor de realimentación Rf, se reduce
la frecuencia de corte superior fU:
U  2fU 
1
Rf C f
Complete los siguientes pasos para realizar la medición de frecuencia en circuito:
1. Ponga en corto el capacitor de entrada (no lo quite, ya que se utilizará en el
Ejercicio 4-6).
2. Conecte un capacitor Cf de realimentación en paralelo con el resistor de
realimentación de 100 k.
GLORIA MATA H.
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3. De clic en Run en la gráfica de Bode usando los mismos parámetros.
4. Observe la respuesta en frecuencia y verifique que a altas frecuencia la respuesta de
magnitud se atenúa, como es de esperarse.
5. Use los cursores para determinar la frecuencia de corte alta, es decir la frecuencia
correspondiente a la amplitud con -3 dB o el cambio de fase de 45º.
6. Compare el resultado con el valor teórico.
1
U  2fU 
Rf C f
GLORIA MATA H.
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Ejercicio 4-6 Filtro Pasa Banda
Si se conecta un capacitor de entrada y uno de realimentación en el circuito con
amplificador operacional, la curva de respuesta corresponde a un filtro pasa banda teniendo
una frecuencia de corte baja fL, y una alta fU. El intervalo de frecuencia (fU – fL) es el ancho
de banda.
La siguiente figura muestra un filtro pasa banda en la Tarjeta de prototipos.
1. Conecte de nuevo el capacitor C1 del Ejercicio anterior y ejecute la gráfica de Bode
con los mismos parámetros.
2. Verifique que la respuesta sea como la mostrada en la figura:
GLORIA MATA H.
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3. Dibuje una línea en 3 dB por debajo de la amplitud máxima, el intervalo de
frecuencias contenidas por arriba de la línea define el ancho de banda. Calcule el
ancho de banda para este filtro.
Ejercicio Adicional 1
La curva de transferencia del circuito generalizado con amplificador operacional está dada
por la ecuación
VO  
Zf
Z1
VI
Donde las impedancias para los cuatro circuitos son:
Circuito con
Amplitud Op
Básico
Pasa Altas
Pasa Bajas
Pasa Banda
Zf
Z1
Ganancia
Rf
Rf
Rf + RCf
Rf + RCf
R1
R1 + XC1
R1
R1 + XC1
Rf /R1
Rf / (R1 + XC1)
(Rf + RCf )/R1
(Rf + XCf)/(R1 + XC1)
Para cualquier frecuencia, se puede usar el Analizador de Impedancia para medir Zf y Z1.
Puede realizar un programa para calcular la razón de dos números complejos y obtener la
ganancia |Zf/Z1|.
GLORIA MATA H.
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Nota También puede usar el Analizador de Impedancia para determinar en que valor R1 es
igual XC1 y Rf es igual a XCf para verificar las frecuencias de corte a partir de la gráfica de
Bode.
Ejercicio Adicional 2
Verifique la operación de un filtro activo paso banda de segundo orden, cuyo circuito es el
siguiente:
R = 1.2 k
R1 = 10 k
R2 = 18 k
C = C1 = C2 = 0.22 
La frecuencia de central es  0 
es Q 
1
RC
y la ganancia es K 0 
G
y el Factor de calidad
3G
1
R1

3  G 2 R1  R 2
Establezca las condiciones de prueba para observarlas en el Analizador de Bode.
GLORIA MATA H.
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